基于FPGA的多通道串行A/D转换器的控制器设计 电子技术, 转换器, 控制器, 单片机, 通道

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1 引言
　　随着现代电子技术的应用和发展，越来越多的电子应用由模拟系统向数字系统转变，而A／D转换器为模拟系统和数字系统的界面，承担着模拟信号转变为数字信号的任务，在一些多路信号采集系统和实时数字信号处理系统中，A／D转换的多路扩展、高精度、低成本、实时性显得越来越重要。在一般信号采集系统中，由单片机或微控制器对高精度A／D转换器进行控制，通常采用软件模拟A／D转换器时序的方法。因此增加了CPU的负担，降低了CPU的工作效率，在多片A／D转换器多通道扩展应用中，降低了信号采集的实时性。
　　现场可编程门阵列FPGA(Field ProgrammableGate Array)是20世纪80年代中期在PAL，GAL等逻辑器件的基础上发展起来的一种可编程逻辑器件，其特点是高集成度、高速和高可靠性，设计人员可以现场修改器件的逻辑功能。VHDL(VHSIC Hardvcare Description Language)是目前通用的硬件描述语言之一，可用来描述一个数字电路的输入、输出以及相互间的行为与功能。
　　FPGA的高集成度和高速的特性，使之相对于单片机和微控制器，更适合用于对高速A／D器件的采样控制。本文设计一种基于FPGA的高速串行输入／输出A／D转换器的控制器，该控制器完成对ADS7844芯片的采样控制，提高了采样的实时性、减轻了主CPU的运行负担。
　　2 ADS7844功能介绍
　　ADS7844是Burr_Brown公司推出的一种高性能、宽电压、低功耗的12 b串行数模转换器。它有8个模拟输入端，可用软件编程为8通道单端输入A／D转换器或4通道差分输入A／D转换器，其转换率高达200 kHz，而线性误差和差分误差最大仅为±1 LSB。ADS7844在电源电压为2.7～5 V之间均能正常工作，最大工作电流为1 mA，进入低功耗状态后的耗电仅为3μA。ADS7844通过6线串行接口与CPU进行通信，接口简单方便。
　　2.1 ADS7844的引脚功能
　　CH0～CH7：模拟输入端，当器件被设置为单端输入时，这些引脚可分别与信号地COM构成8通道单端输入A／D转换器；当器件被设置为差分输入时，利用CH0-CH1，CH2-CH3，CH4-CH5，CH6-CH7可构成4通道差分输入A／D转换器；
　　COM：信号地；
　　Vref：参考电压输入端，最大值为电源电压；
　　CS：片选端、低电平有效、该脚为高电平时，其他数字接口呈三态；
　　Dclk：外部时钟输人端，在时钟作用下，CPU将控制字写入ADS7844，并将转换结果从中读出；
　　Din：串行数据输入端，在片选有效时，控制字在Dclk上升沿被逐位锁入ADS7844；
　　Dout：串行数据输出端，在片选有效时，转换结果在DcIk的下降沿开始被逐位从ADS7844移出；
　　BUSY：“忙”信号输出端，在接收到控制字的第一位数据后变低，只有在转换结束且片选有效时，该脚才输出一个高脉冲；
　　SHDN：电源关闭端、低电平有效。当SHDN为低电平时，ADS7844进入低功耗状态；
　　Vcc，GND：分别为电源端和数字地。
　　2.2 ADS7844的控制字及转换时序
　　ADS7844的控制字如表1所述。

　　ADS7844的控制字共有8位，其中S是起始位，控制字的起始位总为“1”。A2～A0是通道选择位，在单端输入时分别对应8个通道，而对于差分输入，000～011分别对应CH0-CH1，CH2-CH3，CH4-CH5，CH6-CH7，而100～111则分别对应CH0-CH1，CH1-CH0，CH3-CH2，CH5-CH4，CH7-CH6。Bit3没有定义。SGL／DIF是模式控制位，该位为“1”时是单端输入模式，为“0”时是差分输入模式。PD1和PD0是电源关闭模式控制位，若为“00”，则表示ADS7844在不进行数据转换时自动进入电源关闭模式，若为“11”，芯片则始终处于电源开启模式。
　　ADS7844有多种转换时序，基本时序如图1所示。

　　从图1中可见，一个转换周期需要24个时钟周期，其中8个用于输入控制字，16个用于读取转换结果。控制字的所有位在时钟上升沿被锁入芯片，转换结果在时钟的下降沿被逐位移出。所有移人和移出的数据都是高位在前、低位在后。需要说明的是，ADS7844是12位A／D转换器，其转换结果只有12位，故在移出12位结果后，还需送入4个时钟来完成整个转换过程，这4个多余的时钟移出的数据为“0”，使用时不应作为转换结果处理。
　　3 ADS7844控制器的设计
　　用FPGA设计的采样控制器AD_CONTROLLER与ADS7844的接口电路如图2所示，基本时序如上所述。

AD_CONTROLLER的输入时钟取12 MHz，经内部4分频后输出至ADS7844的CLK引脚。cs_all为来自CPU的启动信号，当其为低时AD_CONTROLLER开始工作。addr[3..0]为对应的ADS7844的通道地址，data[15..0]为某地址所对应通道的A／D转换结果，当某一通道转换结束，oe信号由低电平变为高电平并持续1个周期。